Технологията за индукционно заваряване на композити от термопластични въглеродни влакна е все още в ранен етап.

Въведение в пет метода за заваряване на термопластични композити от въглеродни влакна

За разлика от термореактивните композити, термопластичните композити все още могат да се стопят след формоване. Свързването на части от термопластични въглеродни влакна може да се постигне чрез вторично топене и прилагане на налягане, което може да се разглежда като процес на заваряване. Понастоящем често използваните техники за заваряване на термопластични композити от въглеродни влакна включват заваряване с горещ газ, съпротивление, ултразвук, индукция и лазерно заваряване. Всеки метод на заваряване има своите предимства и недостатъци и изборът на метод трябва да се основава на различни сценарии и изисквания.

1. Заваряване с горещ газ:

Описание: Заваряването с горещ газ използва поток от горещ газ (обикновено азот), за да разтопи и слее термопластичните материали във връзката.

Процес: Повърхността на материалите се нагрява с горещ газ и се прилага налягане, за да се свържат заедно.

Предимства: Има прецизен контрол върху температурата и налягането, което го прави подходящ за различни термопластични композити.

Съображения: Трябва да се внимава да се предотврати прегряване и повреда на въглеродните влакна.

2.Съпротивително заваряване:

Описание: Съпротивителното заваряване включва преминаване на електрически ток през материалите, генерирайки топлина във връзката.

Процес: Два компонента се притискат един към друг и токът протича през съединението, причинявайки локално нагряване.

Предимства: Процесът е бърз, подходящ за големи структури и може да бъде автоматизиран.

Съображения: Материалите трябва да притежават достатъчна проводимост и съществува риск от локално прегряване.

3. Ултразвуково заваряване:

Описание: Ултразвуковото заваряване използва високочестотни вибрации за генериране на топлина във връзката, като по този начин разтопява и слепва термопластичните материали.

Процес: Ултразвуковите вибрации се прилагат към интерфейса, причинявайки локализирано нагряване и свързване.

Предимства: Скоростта на обработка е висока, което я прави подходяща за малки и сложни части, с минимално термично въздействие върху околните зони.

Съображения: Правилните настройки на честотата и амплитудата са от решаващо значение и този метод може да не е подходящ за всички термопластични композити.

4. Индукционно заваряване:

Описание: Индукционното заваряване използва електромагнитна индукция за нагряване на термопластичните материали на фугата.

Процес: Индукционна намотка индуцира топлина в материалите, създавайки локализирана зона на топене за заваряване.

Предимства: Има прецизен контрол върху отоплението, което го прави подходящ за големи конструкции с минимално въздействие върху околните пространства.

Съображения: Материалите трябва да имат достатъчна проводимост и този метод не е универсално приложим.

5.Лазерно заваряване:

Описание: Лазерното заваряване използва силно фокусиран лазерен лъч за нагряване и стопяване на материалите в фугата, образувайки връзка, докато се охлаждат.

Процес: Лазерният лъч се насочва към интерфейса, като бързо нагрява термопластичния материал. След това компонентите се притискат заедно, образувайки заваръчен шев, докато се втвърдява.

Предимства: Лазерното заваряване осигурява висока прецизност и контрол върху входната топлина, относително бързи скорости на заваряване и е подходящо за масово производство. Създава минимални зони на топлинно въздействие, запазва свойствата на материала и създава по-малък риск от замърсяване.

Съображения: Трябва да се внимава по време на лазерното заваряване, за да се предпазят въглеродните влакна от прегряване, за да се предотврати повреда.

Усъвършенстваната технология за индукционно заваряване за термопластични въглеродни влакна е от полза за космическата индустрия

Технологията на индукционно заваряване е особено подходяща за свързване на термопластични композитни структури, подсилени с въглеродни влакна. Тъй като въглеродните влакна са проводими и могат да генерират вихрови токове, когато са подложени на променливо магнитно поле, няма нужда да се въвеждат допълнителни индукционни материали при заваряване на термопластични композити, подсилени с въглеродни влакна.

Тъй като технологията за производство на аерокосмически термопластични композити узрява и производствените разходи намаляват, приложението им в аерокосмическото производство значително ще се увеличи. Освен това, сложната структура на аерокосмическите компоненти изисква прости части да бъдат сглобени в едно цяло чрез технологии за свързване. Следователно разработването на заваръчни технологии за аерокосмически термопластични композити, включително индукционно заваряване, се превърна в спешна необходимост в напредналите изследвания в производството на самолети и ще остане дългосрочна задача в бъдеще.

Понастоящем технологията за индукционно заваряване на термопластични въглеродни влакна е изправена пред предизвикателства като ниска зрялост и факта, че все още не е навлязла в инженерния прототип и етапите на практическо приложение на продукта. Изследванията за индукционно заваряване на термопластични композити за граждански самолети обаче все още са в начален етап в чужбина, като различни ключови технологии очакват пробиви. Технологичната пропаст между страните не е много изразена. Следователно Китай трябва да ускори усилията за разработване и прилагане в тази област, за да съкрати разликата с чуждестранните модерни материали и производствени технологии за самолети. Само чрез наистина овладяване на основните технологии можем да бъдем от полза за местната аерокосмическа индустрия.

Напредък в изследванията за индукционно заваряване на термопластични CF/PPS композити в Китай

Някои изследователски екипи са изследвали ефектите от мощността и времето на заваряване върху якостта на срязване в обиколка (LSS), използвайки подхода на точково заваряване. Те също така изследваха осъществимостта на различни имплантирани слоеве за индукционно заваряване на CF/PPS термопластични композити. Изследването установи, че прекомерната заваръчна мощност или продължителното време на заваряване може да доведе до прегряване на пробите, което води до химични реакции като омрежване, окисляване и разграждане на смоляната матрица, което значително намалява механичните свойства на заварените съединения и дори вътрешните свойства на композитите.

1. Данни за максимално време за индукционно заваряване на CF/PPS композити

Експерименталните резултати показват, че когато относителната мощност е в диапазона от 400 до 800, междинният слой показва най-висока скорост на повишаване на температурата. С увеличаването на относителната мощност скоростта на повишаване на температурата става по-бърза и времето за опушване настъпва по-рано. Когато времето за заваряване надвиши определена стойност, в средата на панелите неизбежно ще се появи пушене. Появата на опушване се дължи предимно на разграждането на смолата или изпаряването на остатъчни малки молекули, като и двете могат да повлияят неблагоприятно на качеството на заваряване и ефективността на свързване между двата панела. Следователно е необходимо да се избягва тази ситуация.

2. Ефекти на мощността и времето на заваряване върху якостта на срязване (LSS)

Индукционното заваряване беше извършено върху два CF/PPS композитни материала, като се използва метод на точково заваряване, последвано от прилагане на натиск с ролки след нагряване. Получената якост на срязване на обиколка (LSS) беше тествана. Резултатите показват, че по време на процеса на индукционно заваряване, поради сравнително краткото време на заваряване, изтичането на смола не е силно, което позволява заваръчната повърхност да задържи определено количество смола. При относителна мощност от 500 стойността на якостта на срязване (LSS) достига своя максимум при време на нагряване от 65 секунди, което показва, че времето на нагряване не трябва да бъде нито твърде кратко, нито твърде дълго.

3. Ефект на слоя имплант върху якостта на срязване (LSS)

Използвайки два CF/PPS композитни материала, заедно с CF/PPS препрег, който има същите спецификации (същите суровини, форма на тъканта, обемно съдържание на влакна и т.н.) като композитите, имплантният слой беше използван за точково заваряване. Резултатите показват, че добавянето на имплантния слой като цяло води до намаляване на якостта на срязване (LSS), което може да се отдаде на имплантния слой, ограничаващ генерирането и проводимостта на топлина; обаче максималният LSS все още достига 24,8 MPa.